تطبيقات على قانون الغاز المثالي
يتم تطبيق قانون الغاز المثالي على الأحجام المولية والكثافة ومسائل القياس الكيميائي، وحتى اليوم، نجد أن قوانين الغاز تتطلب تغيير ظروفه، ويمكن توقع حدوث تغيير في إحدى خصائصه .
تُعتبر الضغط والحجم ودرجة الحرارة والكمية من الخصائص الفيزيائية المستقلة الأربعة والوحيدة للغاز، حيث إن الثابت في المعادلة يُعتبر بالفعل ثابتًا في الواقع، وذلك لأننا لا نحتاج إلى تحديد هوية الغاز لتطبيق قوانين الغاز .
يعتبر قانون الغاز المثالي المعادلة pv=nrt التي تتعلق بالخصائص الأربع المستقلة للغاز في أي وقت، وهو معروف باسم القانون الغازي المثالي. يشير ثابت قانون الغاز المثالي، الذي يسمى R، إلى الوحدات التي تستخدم للتعبير عن الضغط والحجم.
يتم استخدام قانون الغاز المثالي بنفس طريقة استخدام أي قانون غاز آخر، مع التركيز على الوحدات والتعبير عن درجة الحرارة بوحدة الكلفن. ومع ذلك، يجب ملاحظة أن سلوك الغاز الحقيقي يختلف عن سلوك الغاز المثالي، ولكن قانون الغاز المثالي لا يتطلب تغييرا في ظروف العينة الغازية .
لربط كمية الغاز المستهلكة أو المنبعثة في تفاعل كيميائي، يتم قياس العناصر المتفاعلة في التفاعل وفهم كيفية استخدام معادلة الغاز المثالية والقياس المتكافئ لحساب حجم الغاز المنتج أو المستهلك في عملية التفاعل.
ويمكننا استخدام العلاقة بين كميات الغازات بالمولات وأحجامها باللترات من أجل حساب قياس العناصر المتفاعلة والتي تشتمل على غازات ، إذا كان الضغط ودرجة الحرارة معروفين ، يعتبر ذلك أمر مهم لعدة أسباب تتضمن العديد من التفاعلات التي يتم إجراؤها في المختبر لتكوين أو تفاعل غاز .
كثافة الغاز والكتلة المولية
يختلف الكثافة بالنسبة لقوانين الغازات بتغير عدد جزيئات الغاز في حجم معين، ويمكن حل العديد من المشاكل المختلفة لتحديد كثافة غاز معين عن طريق إعادة ترتيب معادلة الغاز المثالي .
يمكن التعبير عن كثافة الغاز بشكل عام باستخدام وحدة الجرام/الليتر، حيث يتم ضرب الجانب الأيمن والأيسر للمعادلة للغاز (M) بالكتلة المولية. وبذلك يمكننا تحديد كثافة الغاز عندما نعرف الكتلة المولية، أو العكس .
من أمثلة الأشياء ذات الكثافة المتغيرة لأغراض مفيدة هو المنطاد الهوائي الساخن، والذي يتكون من كيس يسمى المغلف ويحتوي على الهواء الساخن. عندما يتم تسخين الهواء الموجود داخل المغلف، يصبح أقل كثافة من الهواء البارد المحيط به، مما يسبب قوة الطفو التي تجعل المنطاد يطفو ويصعد في الهواء. لذا، يتطلب الأمر تسخين الهواء بشكل مستمر للحفاظ على ارتفاع المنطاد .
عندما يبرد الهواء داخل البالون يتقلص مما يسمح بدخول الهواء البارد الخارجي وتزداد الكثافة ، عندما يتم التحكم في ذلك بشكل جيد من قبل الطيار يمكن أن يهبط البالون برفق كما ارتفع ، ومن الجدير بالذكر تزداد كثافة الغاز مع زيادة الضغط ، وتنخفض كثافة الغاز مع زيادة درجة الحرارة .
ومن أجل تحديد أحجام الغاز في التفاعلات الكيميائية يمكننا استخدام قانون الغاز المثالي لحساب حجم الغازات المستهلكة أو المنتجة، وغالبًا ما يتم استخدام معادلة الغاز المثالي للتحويل بين الأحجام والكميات المولية في المعادلات الكيميائية .
ما هو الشكل المولي لـ قانون الغاز المثالي
يمكننا ملاحظة أن جميع الغازات معقدة وممتلئة بالمليارات من جزيئات الغاز النشطة التي يمكنها التصادم والتفاعل مع بعضها البعض. ويجب فهم الفرق بين خصائص الغاز الحقيقي والغاز المثالي، لأنه من الصعب وصف الغاز الحقيقي بالضبط. وقد ابتكر الناس مفهوم الغاز المثالي كتقريب يساعد في نمذجة وتوقع سلوك الغازات الحقيقية .
كما أننا نجد أنه يشير مصطلح الغاز المثالي إلى غاز افتراضي يتكون من جزيئات تتبع بعض القواعد ، حيث أن جزيئات الغاز المثالية لا تجتذب ، أو تتنافر سوف يكون التفاعل الوحيد بين جزيئات الغاز المثالية هو التصادم المرن عند الاصطدام ببعضها البعض ، أو من خلال التصادم المرن بجدران الحاوية .
يرتبط الضغط للغاز المثالي بصيغة بسيطة تسمى قانون الغاز المثالي، وتعتبر بساطة تلك العلاقة سببًا كبيرًا وراء تعاملنا مع الغازات باعتبارها مثالية ما لم يكن هناك سبب آخر يدعونا لعدم القيام بذلك .
ما هو التصادم المرن
تتميز جزيئات الغاز المثالية بعدم احتساب أي حجم لها، حيث يمكن للجزيئات التوسع في مساحات شاسعة من الفضاء، ولكن تُقرب جزيئات الغاز المثالية كجسيمات نقطية لا تمتلك حجمًا في ذاتها .
إذا كان ذلك يبدو مثاليا لدرجة صعوبة تصديقه، فذلك يشير إلى عدم وجود غاز مثالي تماما، ولكن في الواقع هناك العديد من الغازات التي تكون قريبة جدا من المثالية، ولذلك فإن مفهوم الغاز المثالي يكون مفيدا للغاية في العديد من الحالات، حيث يمكننا استخدام القانون العام للغازات للإشارة إلى وجود الغاز المثالي عندما يكون المتغير الثابت موجودا .
وأما بالنسبة لدرجات الحرارة القريبة من درجة حرارة الغرفة والضغوط القريبة من الضغط الجوي ، فنجد العديد من الغازات التي نهتم بها تكاد تكون مثالية للغاية ، وإذا كان ضغط الغاز كبير للغاية على سبيل المثال أكبر بمئات المرات من الضغط الجوي ، أو كانت درجة الحرارة منخفضة جدًا يمكن أن يكون هناك انحرافات كبيرة عن قانون الغاز المثالي .
تطبيقات الحياة الواقعية لقوانين الغاز
عبر العلماء عن مر القرون، تم اكتشاف قوانين تشرح كيف يؤثر الحجم والضغط على تصرف الغازات، ومن بين هذه القوانين قانون جاي لوساك وتطبيقاته، وربما لا تدري أنك تتبع مبادئ علمية مهمة أثناء عملك .
يقول قانون تشارلز إذا قمت بتسخين كمية ثابتة من الغاز بضغط ثابت، فإن زيادة الحجم تتناسب مع زيادة درجة الحرارة، وأظهر هذا القانون كيف يتصغر كرة القدم المنتفخة في الداخل إذا أخذتها إلى الخارج في يوم بارد .
وتم تعقيد التنفس بسبب قانون دالتون، حيث ينص هذا القانون على أن الضغط الكلي لمزيج الغازات يكون مساويا لمجموع الغازات الموجودة في الخليط. ويفترض هذا المثال وجود غازين فقط في الخليط، وإحدى نتائج هذا القانون هي أن الأكسجين يشكل 21٪ من الضغط الجوي الكلي، لأنه يمثل 21٪ من الغلاف الجوي .
يستخدم الأشخاص الذين يرتفعون إلى ارتفاعات عالية قانون دالتونعندما يحاولون التنفس، إذ ينخفض الضغط الجزئي للأكسجين مع انخفاض الضغط الجوي الكلي وفقًا لقانون دالتون .